張振榮，王 晟，李國華，趙新艷，葉景峰，胡志云，葉錫生

（西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710024）

平面激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)激光的光束整形

張振榮，王 晟，李國華，趙新艷，葉景峰，胡志云*，葉錫生

（西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710024）

分析了激勵(lì)激光光強(qiáng)分布對平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）實(shí)驗(yàn)中熒光強(qiáng)度的影響?；谥嫖⑼哥R列陣設(shè)計(jì)了一套激光片狀光束勻滑整形系統(tǒng)，并根據(jù)PLIF實(shí)驗(yàn)的具體要求，通過光線追跡方法優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)。建立了片狀光束整形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對染料激光進(jìn)行了勻滑整形，獲得了不均勻性＜4%的均勻片狀光束，滿足了PLIF實(shí)驗(yàn)所需。在此基礎(chǔ)上建立了PLIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了酒精燈火焰和CH4/air預(yù)混火焰中OH的二維熒光分布。

光束整形；平面激光誘導(dǎo)熒光；柱面微透鏡列陣；片狀光束

1 引 言

作為燃燒流場激光診斷技術(shù)的主要分支之一，平面激光誘導(dǎo)熒光（Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒流場參數(shù)的二維可視測量，獲得豐富而直觀的信息，是燃燒流場診斷的一個(gè)強(qiáng)有力工具［1-5］。根據(jù)熒光光譜理論分析可知，要通過二維熒光強(qiáng)度分布獲得所需的組分濃度或燃燒場溫度信息，必須消除熒光信號中激光強(qiáng)度及其分布的影響，因此，準(zhǔn)確獲得激勵(lì)激光的光強(qiáng)分布十分重要。目前，在PLIF實(shí)驗(yàn)中，通常采用柱面透鏡組將激勵(lì)激光整形為片狀光束，但不做專門的勻滑處理。為了滿足定量測量的需要，常常在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中建立參考光路，監(jiān)測激勵(lì)激光的光強(qiáng)分布。具體的做法是在激勵(lì)激光的光路上分出一束監(jiān)測光，使其入射到充滿某種熒光物質(zhì)的腔室內(nèi)，并用相機(jī)監(jiān)測相應(yīng)的熒光強(qiáng)度分布，再根據(jù)熒光強(qiáng)度與激光強(qiáng)度的關(guān)系計(jì)算出激光片的光強(qiáng)分布。這種方法等于在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中附加了一套PLIF診斷系統(tǒng)，不僅使系統(tǒng)變得更加昂貴，同時(shí)也增加了診斷系統(tǒng)的復(fù)雜性。如果事先通過光束勻滑，將激勵(lì)激光整形為強(qiáng)度分布均勻的片狀光束，無疑能夠在有效簡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的同時(shí)提高測試精度。

目前，在激光與物質(zhì)相互作用的許多領(lǐng)域，都需要對激光光束進(jìn)行勻滑整形，但不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)蚧涡Ч囊蟾鞑幌嗤?，所采用的整形技術(shù)也會有較大差異。為了滿足各種需求，人們提出了多種光束空間勻滑整形技術(shù)［6-10］，如：隨機(jī)相位板法、列陣透鏡法、偏振光控制板等。

這些技術(shù)為開展PLIF技術(shù)激勵(lì)激光光束勻滑整形提供了很好的借鑒，但還需要針對PLIF技術(shù)的特殊要求開展相應(yīng)的技術(shù)研究工作。對于PLIF技術(shù)而言，要求激勵(lì)激光在探測區(qū)域較大空間尺度內(nèi)形成二維光強(qiáng)均勻分布和很薄的片狀光束。本文主要針對燃燒流場參數(shù)的二維可視定量測量，開展了滿足PLIF技術(shù)需求的片狀激光光束勻滑整形技術(shù)研究。建立了片狀光束勻滑整形系統(tǒng)，針對PLIF技術(shù)的激光光源，獲得了均勻的二維片狀激光光束，滿足了實(shí)驗(yàn)所需。

2 激勵(lì)激光強(qiáng)度分布對熒光信號的影響

處于基態(tài)的分子通過共振吸收相應(yīng)能量的光子以后，躍遷至激發(fā)態(tài)，然后在向下躍遷的同時(shí)輻射熒光。當(dāng)激勵(lì)激光較弱時(shí)，熒光信號強(qiáng)度與激勵(lì)激光的光強(qiáng)成線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中由ICCD相機(jī)拍攝得到的熒光圖像包含了激勵(lì)激光的二維分布信息，要想獲得實(shí)際的熒光強(qiáng)度分布，需要消除激勵(lì)激光光強(qiáng)分布的影響：

式中：S′（x，y）表示實(shí)驗(yàn)中由相機(jī)獲得的熒光強(qiáng)度分布;S（x，y）為對激勵(lì)激光光強(qiáng)分布進(jìn)行歸一化后的熒光強(qiáng)度分布;I（x，y）表示激勵(lì)激光片狀光束的二維光強(qiáng)分布。由于在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得激勵(lì)激光的二維光強(qiáng)分布較為困難，所以，實(shí)驗(yàn)中往往難以消除光強(qiáng)分布不均的激勵(lì)激光對熒光強(qiáng)度分布的影響。

另外，式（1）成立的前提是激勵(lì)激光功率較小，處于線性激勵(lì)范圍，當(dāng)激光強(qiáng)度功率增加到一定程度后，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，此時(shí)熒光強(qiáng)度對激光強(qiáng)度的依賴關(guān)系變得非常復(fù)雜。對于光強(qiáng)分布均勻性較差的激勵(lì)激光，會出現(xiàn)激光強(qiáng)度較弱的區(qū)域?yàn)榫€性激勵(lì)而激光強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域卻處于飽和激勵(lì)，此時(shí)，消除激光強(qiáng)度分布的影響將變得非常困難。

3 光束整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

為了滿足PLIF實(shí)驗(yàn)對激勵(lì)激光的特殊要求，設(shè)計(jì)了激勵(lì)激光整形系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由柱面微透鏡列陣（CLA）、兩塊軸線相互正交的柱面透鏡（CL1、CL2）組成，其中CLA由N個(gè)相同參數(shù)的微柱面透鏡組成，每個(gè)微柱面透鏡的寬度為d，焦距為f。入射激光束通過柱透鏡列陣后，在Z方向被分割成N個(gè)子光束，每個(gè)子光束經(jīng)各自的透鏡聚焦后再發(fā)散，然后全部輻照探測空間中的同一區(qū)域，即各子光束在傳播過程中會彼此重合疊加在一起。當(dāng)對入射光束的分割足夠細(xì)時(shí)，每一個(gè)子束的光強(qiáng)分布可視為均勻的，這些均勻的子光束相互重疊輻照到同一空間區(qū)域，就可使入射光束近場分布的不均勻性相互平均補(bǔ)償，得到接近平頂分布的矩形光斑。柱面透鏡CL1主要用于沿Y方向?qū)馐M(jìn)行壓縮，產(chǎn)生滿足PLIF技術(shù)所需的薄片激光束;CL2主要用于在X方向?qū)馐M(jìn)行準(zhǔn)直;CL1和CL2的焦距分別為f1、f2。

圖1 光束勻滑整形系統(tǒng)示意圖Fig.1 Optical system diagram for beam shaping and homogenization

勻滑后片狀光束的寬度D為：

所以，要想獲得合適大小的片狀激光束，需要合理設(shè)計(jì)柱面微透鏡的焦距、微透鏡寬度以及柱面透鏡CL2的焦距。

由于只是對激光束沿Z方向進(jìn)行了勻滑整形，而沒有改變光束沿Y方向的特性，所以，上述系統(tǒng)中形成的片狀光束的厚度與不進(jìn)行勻滑處理產(chǎn)生的片狀光束的厚度相同，位于CL1焦線處片狀光束的厚度為：

式中，θ為激勵(lì)激光的發(fā)散角。為了在焦線附近一定距離內(nèi)基本保持片狀光束厚度與焦線處的厚度接近，應(yīng)使CL1具有較長的焦距。

為了分析該設(shè)計(jì)的勻滑效果，并優(yōu)化各種設(shè)計(jì)參數(shù)，對上述系統(tǒng)采用光線追跡技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。分析了微透鏡數(shù)量、各個(gè)透鏡的焦距等設(shè)計(jì)參數(shù)對勻滑效果的影響。并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)中激光的相干特性、光束直徑、所需片狀激光光束的尺寸、光學(xué)加工難度等因素確定了最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。圖2所示為在各種參數(shù)優(yōu)化后計(jì)算得到的典型光強(qiáng)分布。以高斯圓光斑為例，理論計(jì)算得到的片狀光束不均勻性＜3%，光束能量利用率＞90%，滿足了實(shí)驗(yàn)所需。

圖2 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后計(jì)算得到的光強(qiáng)分布Fig.2 Calculated intensity distribution after optimization of design parameters

實(shí)際用于PLIF實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)激光為倍頻后的染料激光，該激光光束典型的近場分布如圖3所示，光束直徑約為5 mm。由于染料激光器放大級的結(jié)構(gòu)、染料濃度以及泵浦激光的均勻性等因素，導(dǎo)致輸出的激光光束的光強(qiáng)分布較差。將這種激光直接整形為片狀光束，其光強(qiáng)分布如圖4所示，可見未對激光光束進(jìn)行勻滑處理時(shí)，整形后片狀光束的光強(qiáng)分布反映了原始光束中的不均勻性，所獲得的片狀光束光強(qiáng)分布均勻性非常差。

圖3 激勵(lì)激光原始光束Fig.3 Beam distribution of dye laser

PLIF定量測量一般要求激勵(lì)激光光束在整個(gè)測量區(qū)域內(nèi)的均勻性優(yōu)于95%，測量區(qū)域尺寸大于50 mm×50 mm，激光片厚度為0.5 mm?；谶@些實(shí)驗(yàn)要求及數(shù)值分析結(jié)果，確定了用于片狀光束勻滑整形的主要器件的參數(shù)：柱面微透鏡列陣中單個(gè)柱面透鏡的厚度為0.5 mm;實(shí)際使用的微透鏡數(shù)量為10個(gè);柱面微透鏡的焦距為50 mm;準(zhǔn)直柱面透鏡的焦距為0.5 m;壓縮用柱面透鏡的焦距為1 m。

圖4 未勻滑片狀光束光強(qiáng)分布Fig.4 Intensity distribution of laser sheetwithout beam smoothing

采用上述光束勻滑系統(tǒng)對激勵(lì)激光勻滑后，獲得的片狀激光光強(qiáng)分布如圖5所示。比較圖5與圖4可以看出，激光片的光強(qiáng)分布明顯改善。

圖5 勻滑后片狀光束光強(qiáng)分布Fig.5 Intensity distribution of laser sheet with beam smoothing

采用均方根（RMS）方法對光束頂部的不均勻性進(jìn)行定量評價(jià)：

4 熒光圖像測量

在實(shí)現(xiàn)光束勻滑的基礎(chǔ)上，建立了一套PLIF實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)，并測量了酒精燈、CH4/air預(yù)混火焰中OH的二維熒光圖像。為了對比勻滑前后激勵(lì)激光光強(qiáng)分布對熒光強(qiáng)度分布的影響，針對酒精燈火焰，分別采用了未勻滑片狀激光和勻滑后片狀激光進(jìn)行激勵(lì)，獲得了相應(yīng)的二維熒光強(qiáng)度分布，如圖6所示。其中圖6（a）為未勻滑激光激勵(lì)產(chǎn)生的二維熒光強(qiáng)度分布，圖6（b）為勻滑后激勵(lì)激光產(chǎn)生的二維熒光強(qiáng)度分布。比較兩幅熒光圖像可以明顯看出激勵(lì)激光光強(qiáng)分布對熒光強(qiáng)度分布的影響，即只有當(dāng)激勵(lì)激光光強(qiáng)分布均勻時(shí)，所獲得的熒光圖像才能夠代表真實(shí)的熒光強(qiáng)度分布。

圖6 酒精燈火焰熒光圖像Fig.6 Fluorescence image of alcohol flame

圖7為在CH4/air火焰中獲得的OH熒光圖像，圖8為火焰中心熒光強(qiáng)度隨火焰高度的變化曲線。由于消除了激勵(lì)激光光強(qiáng)分布的影響，從而獲得了真實(shí)的熒光強(qiáng)度分布，為計(jì)算火焰中的OH濃度分布提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對圖8中OH密度隨火焰高度的衰減曲線進(jìn)行擬合，能夠

圖7 CH4/air預(yù)混火焰中的OH熒光圖像Fig.7 Fluorescence image of OH in CH4/air premixed flame

獲得CH4/air預(yù)混火焰中心沿高度方向OH的密度分布規(guī)律。擬合結(jié)果表明：OH主要集中在火焰底部并隨高度的增加按照指數(shù)規(guī)律衰減。

圖8 火焰中心熒光強(qiáng)度隨火焰高度變化曲線Fig.8 Fluorescence intensity change with flame center height

5 結(jié) 論

在PLIF實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)激光光強(qiáng)分布對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，要獲得真實(shí)可靠的熒光圖像，需要消除激勵(lì)激光光強(qiáng)分布的影響。對激勵(lì)激光進(jìn)行勻滑整形，產(chǎn)生均勻分布的二維片狀激光束是其中的最佳方法。本文在數(shù)值計(jì)算、器件參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立了光束勻滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)LIF實(shí)驗(yàn)所用染料激光光束進(jìn)行勻滑整形，片狀光束的不均勻性＜4%，滿足了PLIF實(shí)驗(yàn)所需。利用勻滑后的激光激勵(lì)介質(zhì)獲得的二維熒光圖像反映了實(shí)際的熒光強(qiáng)度分布，能夠?yàn)楂@得燃燒場中OH的分布規(guī)律，進(jìn)而為燃燒機(jī)理等研究提供更為可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］RYAN M，GRUBER M，CARTER C，et al..Planar laser-induced fluorescence imaging of OH in a supersonic combustor fueled with ethylene and methane［J］.Proc.Combust.Inst，2009，32：2429-2436.

［2］DANEHY PM，WILKESJA，ALDERFER DW，et al.Planar laser-induced fluorescence（PLIF）investigation of hypersonic flowfields in a Mach 10 wind tunnel（invited）［EB/OL］.［2012-12-11］.http：//archive.org/nasa-techdoc-200600201811/20060020181#page/no/mode/2up..

［3］劉晶儒，胡志云，張振榮，等.激光光譜技術(shù)在燃燒流場診斷中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（2）：284-296. LIU J R，HU ZH Y，ZHANG ZH R，et al..Laser spectroscopy applied to combustion diagnostics［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19（2）：284-296.（in Chinese）

［4］關(guān)小偉，劉晶儒，黃梅生，等.PLIF法定量測量甲烷-空氣火焰二維溫度場分布［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2005，17（2）：173-176. GUAN X W，LIU JR，HUANG M SH，et al..Two-dimensional temperature field measurement in a methane-air flame by PLIF［J］.High Power Laser and Particle Beams，2005，17（2）：173-176.（in Chinese）

［5］HEINZE J，MEIER U，BEHRENDT T，et al.PLIF thermometry based on measurements of absolute concentrations of the OH radical［J］.Z.Phys.Chem.，2011，225：1315-1341.

［6］林勇，胡家升，吳克難.一種用于光束整形的衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)算法［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（9）：1682-1686. LIN Y，HU JSH，WU K N.Algorithm for the design of diffractive optical elements for laser beam shaping［J］.Acta Optica Sinica，2007，27（9）：1682-1686.（in Chinese）

［7］高鴻奕，樓祺洪，董景星，等.XeCl準(zhǔn)分子激光光束均勻器及其應(yīng)用［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16（10）：1379-1382. GAO H Y，LOU Q H，DONG JX，et al..Beam homogenizer for XeCl excimer laser and it s applications［J］.Acta Optica Sinica，1996，16（10）：1379-1382.（in Chinese）

［8］樊桂花，吳健華，孫華燕，等.采用組合透鏡陣列準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器線陣［J］.光電工程，2010，37（11）：32-36. FAN G H，WU JH，SUN H Y，et al..Laser diode linear array collimated by lens combination array［J］.Opto-Electronic Eng.，2010，37（11）：32-36.（in Chinese）

［9］郝明明，朱洪波，秦莉，等.百瓦級高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊的研制［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33（6）：651-659.HAO M M，ZHU H B，QIN L，et al..Research on high brightness fiber coupled diode laser module with hundred watts class power［J］.Chinese J.Luminescence，2012，33（6）：651-659.（in Chinese）.

［10］王鵬程，鄧永麗，張立平，等.高亮度半導(dǎo)體激光陣列光纖耦合模塊］J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33（12）：1335-1341. WANG PCH，DENG Y L，ZHANG L P，et ak..High brightness fiber coupled diode lasermodule［J］.Chinese J.Luminescence，2012，33（12）：1335-1341.（in Chinese）

Exciting laser beam shaping in planar laser-induced fluorescence experiment

ZHANG Zhen-rong，WANG Sheng，LIGuo-hua，ZHAO Xin-yan，YE Jing-feng，HU Zhi-yun*，YE Xi-sheng
（State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi′an 710024，China）

，E-mail：ninthzy@163.com

Influence of exciting laser sheet intensity distribution on the fluorescence intensity distribution in a Planar Laser-induced Fluorescence（PLIF）experimentwas analyzed.Based on cylindrical lens array，a laser sheet shaping system was designed.According to the requirement of PLIF，several parameterswere optimized with ray tracingmethod.The laser beam shaping experiment system was established and applied to the PLIF experiment for dye laser beam shaping and acquiring smoothing laser sheetwith the nonuniformity nomore than 4%.With the uniformity laser sheet beam，PLIF was applied to themeasurement of fluorescence imaging of OH in alcohol flame and CH4/air premixed combustion.

beam shaping;Planar Laser-induced Fluorescence（PLIF）;cylindrical lens array;laser sheet

TN241

A

10.3788/CO.20130603.0359

張振榮（1974—），男，陜西蒲城人，碩士，副研究員，1997年于西北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2004年于西北核技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail：nintzzr@ 163.com

王 晟（1977—），男，山東乳山人，碩士，工程師，1999年于天津大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2008年于西北核技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail：pplunum1@163. com

李國華（1985—），男，甘肅武威人，碩士，工程師，2007年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2010年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事激光光譜技術(shù)方面的研究。E-mail：liguohua@ 163.com

趙新艷（1980—），女，新疆昌吉人，碩士，助理研究員，2003年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2006年于西北核技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail：joyce200zh@ sohu.com

葉景峰（1979—），男，河南西平人，碩士，助理研究員，2001年于國防科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2004年于國防科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail：leafey1979@ 163.com

胡志云（1969—），男，河南人，博士研究生，高級工程師，1993年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1999年于西北核技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail：ninthzy@163.com

葉錫生（1967—），男，江蘇人，博士，研究員，1989年于浙江大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1997年于浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事激光與物質(zhì)相互作用方面的研究。E-mail：yxschx@yeah.net

1674-2915（2013）03-0359-06

2013-02-12；

2013-03-16

激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（No.SKLLIM1009-02）